Neřízené polovodičové prvky Výkonová elektronika - přednášky Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.
Neřízené polovodičové spínače neobsahují struktury s připojenou řídící elektrodou nelineární charakteristika (monotónní, typu S nebo N) usměrňování, ochranné funkce Rozdělení neřízených prvků spínací stav vysoké a nízké impedance polovodičová dioda, diak ochranné proti přepětí, při překročení napětí se nesníží transil, suppressor, varistor výuky technických předmětů 2
výkonová usměrňovací polovodičová dioda dioda PIN závěrné napětí až 10 kv, střední propustný proud do 15 ka. delší doba přepnutí (běžná doba t rr =2 µs, maximálně 20 µs) výkonová Schottkyho dioda závěrné napětí do 200 V (pro SiC do 1500 V) střední propustný proud max. 100 A velmi krátká doba přepnutí (řádově ns) vlastnosti diody obecně vlastnosti polovodičové struktury na diodě lze ukázat vlastnosti dalších složitějších prvků výuky technických předmětů 3
Výkonová usměrňovací dioda, schéma, popis a) schematická značka I F, U F propustný proud a napětí (parametr I FAVM ) I R, U R závěrný proud a napětí (parametr U RRM ) b) schéma diody PIN krajní vrstvy s vyšší koncentrací dopantu střední vrstva s nižší koncentrací, výroba - difúze c) schéma Shottkyho diody přechod kov-polovodič, technologie - epitaxe výuky technických předmětů 4
Dioda PIN v závěrném směru výkonové polovodičové součástky - neřízené rozšiřování oblasti prostorového náboje vyšší napětí = silnější střední nízkodopovaná oblast a nížší koncentrace příměsí obecná vlastnost součástek s přechodem NP (tranzistory, tyristory) Závislost průrazného závěrného napětí diody na koncentraci příměsí ve střední nízkodopované vrstvě 2 U R E U RM qn tloušťka vrstvy je 2 E 2 0 r krit I výuky technických předmětů 5
Dioda PIN v závěrném směru výkonové polovodičové součástky - neřízené vliv tloušťky a koncentrace na závěrné napětí stejný princip u ostatní prvků s přechodem PN dioda PIN na vyšší napětí, méně příměsí a vyšší tloušťka vrstvy I dioda PIN na nižší napětí, více příměsí a vyšší tloušťka vrstvy I výuky technických předmětů 6
Dioda PIN v závěrném směru s teplotou roste svodový proud exponenciálně (při překročení mezní teploty se natolik zvýší proud, že jeho výkonová ztráta diodu dále ohřívá a dojde ke zničení struktury) s růstem teploty roste i průrazné závěrné napětí (lineárně), s poklesem teploty průrazné napětí klesá. pro teplotu -40 C pokles průrazného napětí přibližně o 10% lavinová dioda snese krátkodobě vysoký závěrný proud (10% středního propustného proudu) výuky technických předmětů 7
Dioda PIN v propustném směru oblast I je zaplavena nerovnovážnými nosiči náboje z krajních vrstev vysoká koncentrace nosičů, vysoká vodivost a hustota proudu Vlivem rekombinace koncentrace nosičů ve střední části vrstvy I nižší tlustší vrstva I vyšší úbytek napětí (nosiče potřebuji vyšší energii pro překonání silnější vrstvy) kratší doba života nerovnovážných nosičů méně nosičů, vyšší úbytek napětí (nižší vodivost) na přechodu PN difúzní napětí, U F = 0,65 V výuky technických předmětů 8
Shottkyho dioda v propustném směru menší vodivost, pouze příměsová vodivost základního materiálu - při růstu proudu úbytek napětí roste podstatně rychleji než u diody PIN bariéra mezi kovem a polovodičem podle koncentrace příměsí v polovodiči, při malých proudových hustotách nižší úbytek napětí, než dioda PIN (U F = 0,2 0,4 V) s teplotou úbytek napětí klesá, zvyšuje se diferenciální odpor výuky technických předmětů 9
Přechod závěrný propustný stav (PIN) doba propustného zotavení velmi rychlá (zaplavení střední vrstvy I) krátkodobé zvýšení úbytku propustného napětí u diod PIN na vysoká napětí (nad 5 kv) asi o řád. silná střední I vrstva, vyšší základní rezistivita materiálu běžný problém u speciálních aplikací nulové diody u stejnosměrných měničů s IGCT na vysoké napětí (3 kv) výuky technických předmětů 10
Přechod propustný závěrný stav (PIN) propustný stav střední část diody zaplavená nosiči náboje při změně polarity odvedení nosičů (z okraje střední vrstvy) rekombinace (zánik páru elektron díra) po dobu t rr dioda vede v opačném směru závisí na době rekombinace nosičů náboje dosažení I rrm maximální proud závěrného zotavení závisí na velikosti předchozího propustného proudu (na velikosti náboje v diodě) náboj Q rr vypočítaná hodnota je úměrná zbytkovému náboji ve střední nízkodopované části Q rr špičkové zotavovací napětí U rrm t rr 0 dt způsobeno parazitní sériovou indukčností I nebezpečí lavinového průrazu a zničení diody R výuky technických předmětů 11
Rozdělení a použití výkonových usměrňovacích diod PIN Síťové diody usměrňování síťových frekvencí nízké propustné ztráty, možnost vysokého napětí, dlouhá doba závěrného zotavení Lavinové diody jako předchozí, odolnost proti lavinovému průrazu Svářecí diody pro svařovací automaty a velký střední proud, nízké propustné ztráty, nízké napětí, kratší doba závěrného zotavení Rychlé diody pro ss měniče a střídače na frekvenci >1 khz, nulové diody velmi krátká doba závěrného zotavení, vyšší propustné ztráty standardní rychlé riziko vysoké hodnoty U rrm diody s měkkou zotavovací charakteristikou omezená hodnota U rrm Rychlé diody s měkkou zotavovací charakteristikou jako předchozí, snížení spičkového zotavovacího napětí diody FRED rychlé epitaxní PIN diody, velmi rychlé, nulové diody k vysokonapěťovým MOSFET a IGBT výuky technických předmětů 12
Výkonové usměrňovací Shottkyho diody přechod kov polovodič, extrémně rychlé, nízké napětí, vysoké propustné ztráty, závěrné napětí <200 V (Si) kapacita přechodu velké svodové proudy (ve srovnání s PIN) diody SiC nová součástka, vyšší závěrné napětí, k MOSFET, závěrné napětí až1200 V nulové diody pro tranzistory MOSFET pro stejnosměrné měniče, možnost vyšší frekvence, minimální vypínací ztráty výuky technických předmětů 13
Diak (Diac) pětivrstvá neřízená spínací součástka při překročení průrazného napětí U B0 přechází do propustného stavu (propustná charakteristika) při poklesu proudu pod I H přejde diak do blokovací charakteristiky ochranná součástka, zajištění potřebné strmosti při spínání tyristorů a triaků výuky technických předmětů 14
Střídavá dioda (AC diode) třívrstvá součástka určená pro ochranu obvodu proti přepětí při průrazu neklesá napětí vhodné k napěťové choulostivým řídícím elektrodám (MOSFET) suppressor, transil náhrada antisériově zapojené lavinové diody vysoká strmost, vyšší cena, menší absorbovaná energie výuky technických předmětů 15
Varistor polykrystalická součástka (ZnO metaloxid, SiC karbid křemíku), spékají se zrnka polovodiče přepěťová ochrana (proti střídavé diodě je schopná absorbovat vysokou energii) uvádějí se provozní stejnosměrná a střídavá napětí parazitní kapacita výuky technických předmětů 16
Varistor charakteristika (strmost) výuky technických předmětů 17
výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.